淮河流域植被NDVI與干旱條件的相關(guān)性

史曉亮 尚雨 陳沖 張娜

摘要：淮河流域特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致干旱災(zāi)害頻發(fā)且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響該區(qū)域植被生長(zhǎng)，而前人大多探討了該區(qū)域氣象干旱情況或植被生長(zhǎng)狀況，對(duì)二者之間的關(guān)系研究較少，且多采用氣象站點(diǎn)降水資料進(jìn)行干旱分析，不能充分反映降水時(shí)空分布的差異性。因此，基于MODISNDVI遙感影像與TRMM 3843衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，采用降水距平百分率（Pa）作為氣象干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了2001-2016年淮河流域植被NDVI與降水距平百分率的年際變化特征以及二者的相關(guān)性。結(jié)果表明：2001-2016年淮河流域植被NDVI總體呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的趨勢(shì)，植被NDVI有所改善的區(qū)域比例為54. 86%，NDVI基本不變的比例為43. 25%，僅1.89%的NDVI出現(xiàn)退化。流域16年間以輕旱和中旱為主，較少出現(xiàn)重旱和特旱，干旱程度有所降低。植被NDVI和降水距平百分率呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占流域的61.31%和38. 69%，正相關(guān)最顯著的區(qū)域?yàn)楹幽鲜『桶不帐〉哪喜?，而河南省東北部、安徽省西北部、山東省西部以及江蘇省東部邊界呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：歸一化植被指數(shù);干旱;降水距平百分率;淮河流域;相關(guān)性

中圖分類號(hào)：TP 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672 - 9315（2019）06 -1033 -08

DOI：10. 13800/j.cnki.xakjdxxb. 2019. 0616 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

收稿日期：2019 -03 - 20

責(zé)任編輯：高佳

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51409204）

通信作者：史曉亮（1985 -），男，陜西寶雞人，博士，副教授，E-mail： s_xiaoliang@ 126.com計(jì)，近55 a來(lái)淮河流域總體處于干旱狀態(tài)，且干旱歷時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，呈自東南向西北逐漸增強(qiáng)的規(guī)律[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

1.2.1

NDVI數(shù)據(jù)

研究使用的NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)宇航局（ National Aeronautics and Space Administration，NASA）的MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13A3 v006（ https：//e4ftl01. cr. usgs. gov/），時(shí)間序列為2001-2016年，時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為1km xl km.利用MRT（ Modis Reprojection Tool）完成對(duì)MODIS NDVI數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理工作。并利用淮河流域邊界裁切獲取淮河流域16年的逐月MODIS NDVI影像數(shù)據(jù)集。

1.2.2

TRMM 3843數(shù)據(jù)

熱帶降雨計(jì)劃衛(wèi)星（ TRMM-Tropical RainfallMeasuring Mission）是由美國(guó)國(guó)家宇航局和日本國(guó)家空間發(fā)展局聯(lián)合開(kāi)展，于1997年11月發(fā)射的第一顆用于定量測(cè)量熱帶、亞熱帶降雨量的氣象衛(wèi)星[16]。文中所用的TRMM 3843數(shù)據(jù)為T(mén)RMM第7版產(chǎn)品的月降水?dāng)?shù)據(jù)（ https：//disc. gsfc. nasa.gov/）.由TRMM 3842產(chǎn)品與氣候評(píng)估與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及全球氣候降水中心降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行融合而成[17]。該數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25度×0.25度，時(shí)間分辨率為月，覆蓋區(qū)域?yàn)槟暇?0度～北緯50度，利用ArcGIS完成對(duì)TRMM數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、裁切，以及降水速率（ mm/h）到月降水量轉(zhuǎn)換等處理工作，獲取2001-2016年淮河流域逐月TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)。

1.2.3 氣象站點(diǎn)降水量數(shù)據(jù)

氣象站點(diǎn)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（ http：//data. cma.cn/）提供的地面氣象資料月值數(shù)據(jù)集。選取2001-2016年淮河流域23個(gè)氣象站點(diǎn)的月降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖1），用于TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的精度檢驗(yàn)。

1.3 研究方法

1.3.1

TRMM數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)

采用決定系數(shù)（R2）和相對(duì)誤差（BIAS）2個(gè)指標(biāo)對(duì)TRMM 3843月尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。相對(duì)誤差的計(jì)算公式如下[18]

1.3.2 干旱指數(shù)

降水距平百分率（P。）是常用的表征干旱的指標(biāo)之一，是指某時(shí)段的降水量與常年同期平均降水量之差與常年同期平均降水量相比的百分比率，可以反映某一時(shí)段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度，能直觀反映干旱發(fā)生的強(qiáng)度，計(jì)算公式如下[19]

2 結(jié)果與分析

2.1 TRMM數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)

利用一元線性回歸分析方法，對(duì)TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)整體精度進(jìn)行檢驗(yàn)（圖2）。經(jīng)檢驗(yàn)，二者的決定系數(shù)R2 =0. 82，相對(duì)誤差BIAS =0. 9%.單個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出，在23個(gè)氣象站點(diǎn)中，大部分TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的決定系數(shù)R2在0.9左右。有16個(gè)氣象站點(diǎn)的相對(duì)誤差BIAS在±10%以內(nèi)，但是盱眙站R2=0. 78，顯著低于其他站點(diǎn)，這是由于2007年7月盱眙站實(shí)測(cè)降水量高達(dá)1 397.2 mm.導(dǎo)致TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間相關(guān)性較弱?？傮w來(lái)說(shuō)，淮河流域TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的線性相關(guān)性和一致性，在一定程度上能夠真實(shí)反映流域降水量，可以用于研究區(qū)干旱評(píng)價(jià)。

2.2 淮河流域NDVI時(shí)空變化分析

2.2.1

NDVI年際變化

對(duì)淮河流域2001-2016年中12個(gè)月的NDVI取平均值，將其作為該年的NDVI值，分析該區(qū)域年均植被NDVI的變化趨勢(shì)。從圖3可以看出，16a間淮河流域年均NDVI呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)。其中，2016年最高（0.54），2001年的年均NDVI值最低（0.43）。結(jié)果表明，淮河流域16 a間NDVI在波動(dòng)中逐漸上升，植被覆蓋狀況有改善的趨勢(shì)。

2.2.2

NDVI的空間分布特征

2001-2016年淮河流域年均NDVI空間分布如圖4所示。從圖4可以看出，流域年均NDVI分布在0.3 -0.73之間，總體呈南高北低。其中，植被NDVI高值區(qū)主要分布在安徽省的南部，河南省中部以及西部邊界、江蘇省北部有零散分布。只有少數(shù)區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況較差，主要分布在江蘇省的東北以及西南邊界等少數(shù)區(qū)域，該區(qū)域城市周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，人為活動(dòng)的影響導(dǎo)致該區(qū)域植被覆蓋情況較差。

2.2.3

NDVI變化趨勢(shì)的空間分布

通過(guò)一元線性回歸法在像元尺度得到淮河流域2001-2016年間植被年均NDVI的變化趨勢(shì)（圖5）。參考戴聲佩等在NDVI對(duì)氣溫降水的旬響應(yīng)的研究中劃分NDVI的變化等級(jí)[22]，將2001-2016年淮河流域年均NDVI的變化趨勢(shì)分為3個(gè)變化等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級(jí)的面積及所占比例（表2）?？梢钥闯?，植被NDVI基本不變的區(qū)域占淮河流域的比例為43.25%，分布在山東省的中部和東部、江蘇省大部分地區(qū)，以及河南省西北部。植被NDVl改善的區(qū)域所占比例為54.86%，主要分布在安徽、河南省的大部分地區(qū)，以及山東省西南部。植被NDVI出現(xiàn)退化的區(qū)域較少，僅占淮河流域的1.89%，主要分布在河南省北部以及江蘇省東南部，這些區(qū)域城市發(fā)展較快，大量的人類活動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)域植被覆蓋情況較差。

2.3 干旱特征分析

利用降水距平百分率分析淮河流域2001-2016年干旱的發(fā)生情況。按照降水距平百分率干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（表3），將干旱劃分為無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱、特旱等5級(jí)[19]。從表3可知，在2001-2016年間，淮河流域有4年的降水距平百分率小于15%，說(shuō)明16 a間有4a氣候條件較好沒(méi)有發(fā)生干旱的情況。有12 a的Pa值達(dá)到輕旱及以上標(biāo)準(zhǔn)，其中，6a發(fā)生了輕旱，其頻率是37.5%.有6a達(dá)到了中旱及以上標(biāo)準(zhǔn)，其中，有3a發(fā)生中旱，頻率是18.75%.有3a達(dá)到特旱的標(biāo)準(zhǔn)，頻率是18. 75%.總體來(lái)看，16 a間淮河流域共發(fā)生12次干旱事件，其中輕旱發(fā)生頻率最高，其次為無(wú)旱，中旱和特旱發(fā)生的頻率相同。

淮河流域2001-2016年各等級(jí)干旱發(fā)生面積比例如圖6所示。從圖6可以看出，2001-2016年間流域干旱發(fā)生情況差異明顯，有12 a發(fā)生輕旱以上的旱情，其中有3a發(fā)生了特旱。2001-2002年干旱發(fā)生情況較為嚴(yán)重。其中，2001年發(fā)生輕旱、中旱、重旱、特旱的區(qū)域分別占淮河流域的37. 53%，20. 43%，6.89%，1.9%，2002年發(fā)生輕旱、中旱、重旱、特旱的比例相當(dāng)，分別占17. 58%.11. 64%.11. 64%，7.36%.另外，大多數(shù)年份有輕度干旱發(fā)生，其中，輕旱區(qū)域所占的比例從2001年的37. 53%下降到2008年的1.43%，后又逐年上升直至2013年所占比例達(dá)到最大值61.05%;流域內(nèi)共有6a發(fā)生過(guò)中旱，2001-2016年前后各占3a，而在2001年發(fā)生中旱的區(qū)域趨于較大，達(dá)到20.43%，2012年中旱區(qū)域只有1. 43%;重旱與特旱只在2001、2002與2004年發(fā)生，其中2002年旱情較嚴(yán)重，有11. 64%的區(qū)域發(fā)生了重旱，7. 36%達(dá)到了特旱等級(jí)?？傮w來(lái)看，淮河流域2001-2016年間，2001年、2002年以及2004年干旱頻發(fā)，干旱等級(jí)達(dá)到了特旱，發(fā)生干旱的區(qū)域面積占比達(dá)到50%左右，之后流域旱情有所緩解，多以輕旱為主，且2016年沒(méi)有發(fā)生干旱。

2.4

NDVI與降水距平百分率的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步研究淮河流域干早情況與植被長(zhǎng)勢(shì)的影響關(guān)系，在像元尺度上計(jì)算了2001-2016年流域年均植被NDVI與降水距平百分率的相關(guān)性，進(jìn)而綜合分析植被NDVI對(duì)干旱情況的響應(yīng)特征。

從圖7可以看出，淮河流域年均植被NDVI與降水距平百分率相關(guān)性的空間差異顯著。NDVI與降水距平百分率的相關(guān)系數(shù)為正的區(qū)域所占比例為61.31%，表明在流域大部分區(qū)域，干旱對(duì)植被NDVI產(chǎn)生了一定程度的影響。其中NDVI與降水距平百分率呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)的區(qū)域面積所占比例分別0.96%和5.04%，主要分布在河南省西南部、安徽省東南部和江蘇省東南邊界，這些區(qū)域干旱對(duì)植被NDVI產(chǎn)生了明顯的影響，區(qū)域降水較為充足，植被覆蓋情況出現(xiàn)了明顯的改善。相關(guān)性呈低度正相關(guān)和弱相關(guān)的面積分別占12.5%和42.17%，主要分布在河南省南北邊界、安徽省東南部邊界、江蘇省邊界和山東省東北部等區(qū)域。而在河南省東南部、山東省西部、安徽省西北部以及江蘇省東部邊界等地區(qū)呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，負(fù)相關(guān)系數(shù)最高為-0.817.這可能是由于在這些區(qū)域植被生長(zhǎng)還受到氣溫、土壤水分有效性等其他因素的影響，降水并不是植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素。尤其是在江蘇省東部邊界分布著城市化程度較高的沿海城市，雖然降水較為充足，但人類活動(dòng)影響對(duì)植被生長(zhǎng)的影響則更加顯著。因此，在這些區(qū)域植被NDVI與降水距平百分率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

目前，傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)主要是基于氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，雖然在點(diǎn)尺度上具有較高的觀測(cè)精度，但氣象站點(diǎn)覆蓋范圍有限，難以獲取高精度的降水時(shí)空分布特征[23]。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，TRMM衛(wèi)星能夠提供覆蓋范圍廣、時(shí)空連續(xù)性高的降水?dāng)?shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)方面[24]。陳少丹、王兆禮等利用TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)干旱時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果均表明rIRMM數(shù)據(jù)適用于區(qū)域尺度和大尺度的干旱監(jiān)測(cè)[25 -26]。因此，通過(guò)分析TRMM數(shù)據(jù)在淮河流域的適用性，研究認(rèn)為空間連續(xù)分布的TRMM數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于該地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)。盡管TRMM數(shù)據(jù)存在空間分辨率較低的不足，但是相對(duì)于氣象站點(diǎn)分布較少地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)的空間插值，TRMM數(shù)據(jù)可以較好地刻畫(huà)區(qū)域降水的空間異質(zhì)性，因此可以為缺資料地區(qū)提供一種新的干旱監(jiān)測(cè)手段。

文中就淮河流域植被NDVI與干旱條件的相關(guān)性進(jìn)行了研究，但未考慮其它因素對(duì)植被NDVI的作用，以及NDVI與干旱指數(shù)之間的滯后效應(yīng)[3]。因此，對(duì)于植被NDVI與干旱之間的相應(yīng)機(jī)制尚需進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié)論

1）淮河流域2001-2016年間植被NDVI呈增加趨勢(shì)，在空間分布上表現(xiàn)為南高北低。而從植被NDVI變化趨勢(shì)的空間分布來(lái)看，植被NDVI增加的區(qū)域所占比例達(dá)到54. 86%，主要分布在安徽、河南省的大部分地區(qū)，以及山東省西南部地區(qū)。而植被NDVI退化的區(qū)域僅占1.89%，淮河流域植被覆蓋總體表現(xiàn)為改善趨勢(shì)。

2） 2001-2016年間，淮河流域有12 a發(fā)生輕旱及以上的旱情，發(fā)生頻率為75%.其中，2001年、2002年以及2004年干旱頻發(fā)，干旱等級(jí)達(dá)到了特旱，發(fā)生干旱的區(qū)域面積占比達(dá)到50%左右，之后流域旱情有所緩解，多以輕旱為主。

3）淮河流域植被NDVI與降水距平百分率的相關(guān)性時(shí)空差異較為復(fù)雜，整體上干旱會(huì)對(duì)植被NDVI產(chǎn)生一定程度的影響，相關(guān)性最顯著的區(qū)域主要分布在河南省南部、安徽省南部地區(qū)。

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